郭小政 陶錢貴

【摘要】本文介紹了CECS160和GB50011兩本有關(guān)鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范在抗震設(shè)計(jì)時，對建筑物重要性類別的抗震設(shè)防加速度，建筑物場地類別的劃分和不同場地類別建筑物的設(shè)防最低要求的區(qū)別。抗震設(shè)防的分類，以及世界主要國家抗震計(jì)算的強(qiáng)度折減系數(shù)的確定，鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)的破壞機(jī)理與設(shè)計(jì)，抗震的相應(yīng)構(gòu)造措施是現(xiàn)在研究的方向。

【關(guān)鍵詞】鋼結(jié)構(gòu)；抗震；構(gòu)造措施

前言

鋼結(jié)構(gòu)體系具有安裝容易，施工周期短，自重輕，能減小地震作用效應(yīng)，抗震性能好，環(huán)境污染少等綜合優(yōu)勢。隨著我國經(jīng)濟(jì)水平的提高，鋼產(chǎn)量的上升，研制出了很多優(yōu)質(zhì)鋼材，所以高層超高層鋼結(jié)構(gòu)在我國迅速發(fā)展。鋼結(jié)構(gòu)一直是被認(rèn)為是抗震性能優(yōu)越的結(jié)構(gòu)形式，但是，隨著近年來在世界范圍內(nèi)，地震頻繁發(fā)生，導(dǎo)致許多鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生斷裂破壞，是結(jié)構(gòu)工程界開始重新認(rèn)識和研究高層鋼結(jié)構(gòu)的抗震性能。深入了解高層鋼結(jié)構(gòu)在強(qiáng)烈或者罕遇地震作用下可能發(fā)生的損傷，破壞以至于倒塌的機(jī)理，從而采取有效的措施，是工程界目前應(yīng)該做的首要的事情。

基于性能的抗震設(shè)計(jì)思想時有美國學(xué)者于20世紀(jì)九十年代初提出，是設(shè)計(jì)出的結(jié)構(gòu)在未來的地震災(zāi)害下能維持所要求的性能水平，它要求在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中從以往只注重結(jié)構(gòu)安全，向全面注重結(jié)構(gòu)的性能，安全及經(jīng)濟(jì)等諸多方面發(fā)展[1]。

一、抗震的設(shè)防的目的及分類

1.1抗震的設(shè)防的目的

CECS160規(guī)定的抗震設(shè)防指導(dǎo)思想是：在兼顧經(jīng)濟(jì)和安全的原則下實(shí)現(xiàn)建筑物預(yù)定的使用功能和性態(tài)目標(biāo)，提出抗震設(shè)防的基本要求；當(dāng)所設(shè)計(jì)的建筑物遭受本地區(qū)多遇地震，抗震設(shè)防地震或罕遇地震時，能按設(shè)計(jì)要求保證安全，基本上實(shí)現(xiàn)其預(yù)定目標(biāo)[2]。

在CECS160規(guī)范中規(guī)定將建筑物按重要性和使用功能分類，主要是指建筑物在地震時或者地震后的損壞程度對社會造成的綜合性影響程度。建筑物的重要性類別主要是從抗震的角度來分的，CECS160保留了GB50011和《建筑抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》（GB50223）中（甲.乙.丙.丁）的分類方法，并且對幾種重要性不同的建筑物發(fā)生某一概率水準(zhǔn)的地震采用不同的年限確定相應(yīng)的設(shè)計(jì)地震加速度。

因?yàn)榧滓冶惤ㄖ锏氖褂眯再|(zhì)和抗震重要性不同，要求在地震時或者地震后的表現(xiàn)也不同，因此CECS160的規(guī)定相比之下較GB50011合理。

1.2抗震設(shè)防的分類

抗震設(shè)計(jì)的分類實(shí)際上就是根據(jù)建筑物的使用功能和相應(yīng)規(guī)定的性態(tài)水平給出不同的設(shè)計(jì)和措施要求，以確保建筑物在設(shè)防地震作用下的性態(tài)能夠滿足預(yù)訂的要求，通常要求，重要的建筑物在地震作用下震害程度應(yīng)該輕一些，使用功能要正常運(yùn)轉(zhuǎn)，一般建筑會嚴(yán)重一些使用功能會受到影響，但是使用功能不能徹底癱瘓，因此重要建筑在設(shè)計(jì)時地震力比一般建筑的要求要嚴(yán)格一些，而且在構(gòu)造措施上也比一般建筑要求會更嚴(yán)格一些，此外，抗震構(gòu)造措施還應(yīng)隨著地震烈度的高低而有嚴(yán)，款之分。所以針對不同的使用功能的建筑，在根據(jù)其所在地震區(qū)域設(shè)防烈度的高低進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)類別的劃分[3]。

二、抗震計(jì)算的強(qiáng)度折減系數(shù)的確定

2.1地震影響系數(shù)

單自由度體系水平地震作用定義為：

式中：G為重力荷載代表值；k為地震系數(shù)，表示地震動的大小，與地震烈度有一定的關(guān)系，見表1；β為動力系數(shù)，體系最大加速度與地面最大加速度之比，意義為體系加速度放大系數(shù)（主要反映結(jié)構(gòu)特性，如周期，阻尼等）見圖1。

GB50011根據(jù)“小震不壞，中震可修，大震不倒”的三水準(zhǔn)兩階段的設(shè)計(jì)思想，按第一階段的設(shè)計(jì)要求，采用了多遇地震下的彈性地震作用效應(yīng)作為抗震驗(yàn)算的基礎(chǔ)，即地震作用計(jì)算表達(dá)式中的地震影響系數(shù)與多遇地震相對應(yīng)。

2.2強(qiáng)度折減系數(shù)

現(xiàn)在各國抗震設(shè)計(jì)所使用的反應(yīng)譜，大多都采用了強(qiáng)度折減系數(shù)，通常做法是將設(shè)防烈度對應(yīng)的加速度反應(yīng)譜通過隨結(jié)構(gòu)類型而變化的結(jié)構(gòu)反映修正系數(shù)R（美國規(guī)范），結(jié)構(gòu)性系數(shù)（歐洲規(guī)范），結(jié)構(gòu)影響系數(shù)C（R與C互為倒數(shù)）均為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)取用的地震加速度反應(yīng)譜[1]。

我國的抗震規(guī)范GB50011中折減系數(shù)是采用罕遇地震，中震和常遇地震的概念。結(jié)構(gòu)的彈性反應(yīng)譜是按照中震的地震烈度參數(shù)確定的，比常遇地震烈度高1.55度，地震力為中震彈性反應(yīng)譜的1/2.82倍。在多遇地震的作用下基于彈性設(shè)計(jì)，考慮阻尼比對削減地震力的顯著影響，我國規(guī)范GB50011對阻尼影響明確地引入了阻尼調(diào)整系數(shù)。鋼結(jié)構(gòu)在多雨地震作用下的阻尼比，對不超過12層的鋼結(jié)構(gòu)可采用0.035，對超過12層的鋼結(jié)構(gòu)可采用0.02，在罕遇地震下的分析，阻尼比可采用0.05。

美國的規(guī)范將結(jié)構(gòu)的眼形設(shè)計(jì)分為三個等級：高延性設(shè)計(jì)，中等延性設(shè)計(jì)與低延性設(shè)計(jì)，三者的R值依次減小，設(shè)計(jì)地震力依次增加，延性依次降低，并且規(guī)定在高烈度地區(qū)必須用高延性設(shè)計(jì)，以保證建筑物的安全，在中等烈度地區(qū)，可以使用高延性設(shè)計(jì)或者中等延性設(shè)計(jì)，在低烈度區(qū)，可以根據(jù)結(jié)構(gòu)的要求按實(shí)際選擇設(shè)計(jì)等級，實(shí)際上是建立了設(shè)計(jì)地震作用與結(jié)構(gòu)延性要求相掛鉤的雙重設(shè)計(jì)指標(biāo)。歐洲規(guī)范也同樣將鋼結(jié)構(gòu)劃分為高，中，低三類延性等級設(shè)計(jì)。

三、鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)的破壞機(jī)理與設(shè)計(jì)

3.1節(jié)點(diǎn)的抗震設(shè)計(jì)[5]

眾多學(xué)者的研究表明，節(jié)點(diǎn)的脆性破壞原因，主要是由于焊縫的質(zhì)量不好和較高的殘余三向應(yīng)力，破壞的典型方式有：脆性裂紋自梁下翼緣與柱翼緣相交焊縫處，通過不同途徑擴(kuò)展，導(dǎo)致多種多樣的斷裂模式。在有關(guān)學(xué)者總結(jié)的八種裂紋形式中七種都發(fā)生在梁下翼緣與柱翼緣的交叉區(qū)域。

知道了節(jié)點(diǎn)的破壞機(jī)理，我們就必須在節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時注意這些問題，所以，設(shè)計(jì)原則就是節(jié)點(diǎn)能夠完全傳遞被連接板件的彎矩和剪力，充分發(fā)揮剛才的塑性，保證減少或者甚至不發(fā)生脆性破壞。設(shè)計(jì)方法主要有：（1）將塑性鉸的位置外移；（2）對梁翼緣焊縫襯板缺口效應(yīng)進(jìn)行處理；（3）改進(jìn)扇形切角構(gòu)造；（4）選用有較高沖擊韌性的焊縫；（5）將梁腹板與柱子焊接。

但是在實(shí)際設(shè)計(jì)中，僅僅通過設(shè)計(jì)還無法滿足抗震要求，還需要一些抗震措施來加強(qiáng)，現(xiàn)在常用的有：（1）梁與柱剛性連接時，抗震設(shè)防的要求，柱在梁翼緣上下各500mm的節(jié)點(diǎn)范圍內(nèi)，柱翼緣與柱腹板或箱形柱壁板間的組合焊縫，應(yīng)采用全焊透剖口焊縫；（2）當(dāng)梁翼緣的塑性截面模量小于全截面塑性截面模量的70%時梁腹板與柱的連接螺栓不得少于兩列。當(dāng)僅需要一列時，仍應(yīng)布置兩列，且螺栓總數(shù)不得少于計(jì)算值的1.5倍；（3）螺栓孔對截面的削弱不得大于25%。通過設(shè)計(jì)計(jì)算再加上構(gòu)造來達(dá)到鋼結(jié)構(gòu)的抗震目標(biāo)。

3.2大跨度鋼結(jié)構(gòu)的破壞

在大跨度鋼結(jié)構(gòu)中除了梁柱節(jié)點(diǎn)的破壞，還有屋架支撐的失穩(wěn)，屋蓋支撐螺栓的破壞，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)周邊支撐桁架桿的破壞，網(wǎng)架球節(jié)點(diǎn)的破壞等，當(dāng)支撐構(gòu)件的組成板件寬厚比較大時，往往伴隨著整體失穩(wěn)出現(xiàn)板件的局部失穩(wěn)現(xiàn)象，進(jìn)而引發(fā)低周期疲勞和斷裂破壞，這在以往的地震破壞中是很常見的。試驗(yàn)表明，為了防止板件在往復(fù)塑性應(yīng)變作用下發(fā)生局部失穩(wěn)，進(jìn)而引發(fā)低周期的疲勞破壞，必須對支撐板件的寬厚比進(jìn)行限制，且應(yīng)比塑性設(shè)計(jì)比嚴(yán)格[6]。

3.3鋼結(jié)構(gòu)的耗能減震

鋼結(jié)構(gòu)的耗能減震，實(shí)際上就是在鋼結(jié)構(gòu)建筑上安裝減震耗能裝置，由于結(jié)構(gòu)中安裝的耗能器及連結(jié)構(gòu)件為結(jié)構(gòu)提供了一定的附加剛度或附加阻尼，在地震作用下通過結(jié)構(gòu)上安裝的耗能器來耗散輸入結(jié)構(gòu)的能量，減輕結(jié)構(gòu)的動力反應(yīng)，從而減小結(jié)構(gòu)的破壞更好的保護(hù)住結(jié)構(gòu)的安全，是一種新型的結(jié)構(gòu)，所以總體上比傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)總量要少，而且真正經(jīng)受過地震作用的耗能鋼結(jié)構(gòu)有事少之又少，缺乏相關(guān)資料。所以對目前減震效能鋼結(jié)構(gòu)的研究主要好事通過地震擬振動臺試驗(yàn)和有限元分析。近些年來，有大量的國內(nèi)外學(xué)者和專家，對安裝不同種類阻尼器的鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)和理論研究分析，結(jié)果均表明，各類耗能阻尼器均能在一定程度上有效地耗散輸入結(jié)構(gòu)的地震能量，增大結(jié)構(gòu)的整體剛度和阻尼比，減小結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，明顯提高不同體系鋼結(jié)構(gòu)體系的抗震性能。

四、總結(jié)

本文將鋼結(jié)構(gòu)抗震的有關(guān)規(guī)范CECS160和GB50011中有關(guān)規(guī)定對比發(fā)現(xiàn)，前者要比后者科學(xué)再設(shè)計(jì)使用上更加切合實(shí)際。在設(shè)計(jì)時除了計(jì)算外還要加強(qiáng)構(gòu)造措施來保證抗震目標(biāo)，在知道地震破壞機(jī)理時應(yīng)加快研究解決方案，并研究新的抗震性能更好的新型結(jié)構(gòu)形。

參考文獻(xiàn)

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